一种氮气和二氧化碳气体同步电化学还原合成尿素的方法技术

本发明专利技术提供了一种尿素的合成方法，包括以下步骤，由氮气和二氧化碳气体混合后，经电化学反应后，得到尿素。本发明专利技术采用了二氧化碳和氮气为原料，同步进行电催化合成尿素，该方法综合考虑了二氧化碳温室气体和占空气体积78％的氮气的综合利用，通过同步电催化反应，在催化剂表面合成尿素，该方法有助于缓解温室气体的排放，环保，设备小型化。在国内去产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和市场前景。本发明专利技术提供的电化学合成方法工艺简单，条件温和，设备要求低，效率更高，装置模块化，距离使用地点更近，减少运输费用，更适用于工业生产过程。

【技术实现步骤摘要】
一种氮气和二氧化碳气体同步电化学还原合成尿素的方法
本专利技术属于尿素制备
，涉及一种尿素的合成方法，尤其涉及一种N2和CO2同步电化学还原合成尿素的方法。
技术介绍
尿素，又称碳酰胺(carbamide)，化学式为CO(NH2)2，是由碳、氮、氧、氢组成的最简单的有机化合物之一，性状为无色或白色针状或棒状结晶体，虽然结构简单，却是哺乳动物和某些鱼类体内蛋白质代谢分解的主要含氮终产物，而且是一种重要的化工原材料，被广泛应用于农业、医学、化妆品、商业、纺织等领域，更是目前含氮量最高的氮肥。我国尿素年消费量约5600万吨，约为全球总消费量的三分之一。其中农业应用占比约75％，每年农业消费量约为4200万吨，其余为工业应用，总体来看国内消费量将维持低速增长。工业合成尿素通常是利用液氨和二氧化碳为原料直接合成，常规的生产方式就是在高温高压条件下，在尿素合成塔中反应生成铵基甲酸铵(甲铵)，其中一部分脱水生成尿素，其化学反应式为：2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O；虽然，尿素的生产经过较长时间的发展和改进，可以采用不同的压力、温度、氨碳比，形成各种生产工艺，最常用的包括，斯塔米卡邦公司的二氧化碳汽提工艺、斯塔米卡邦公司的改进二氧化碳气提工艺、氨汽提工艺、东洋工程公司(TEC)ACES工艺以及东洋工程公司(TEC)全循环改良C法工艺。但是其整体反应路线和反应核心还是依据的上述反应式，因而，该反应过程依然存在耗能大，有大量废气被排放，环境污染严重；还需要大型的工业设备，既不利于生产效益的提高，也不符合绿色化学的要求；相关的原料液氨的保存需要特殊的设备，万一泄露会对生物、环境产生不可逆的伤害；同时，尿素生产属于资本密集型生产技术，设备大型化，生产地点集中化，远离农田，间接增加运输成本。在实际生产和应用过程中，由于尿素具有吸湿性、特别是夏季高温存储水解挥发的问题，使得大规模制备的尿素存在不易储存等问题，都直接影响的尿素生产企业和下游使用企业。更主要的是作为合成尿素的原材料之一，氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，其中约有80％氨用来生产化学肥料，20％为其它化工产品的原料。而氨的制备，则是由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨，属于资本密集型，高污染型操作。为维持该反应条件，每年消耗全球2％的能量，造成全球1.6％的温室气体的排放，引起严重的大气污染和气候变化。因此，如何找到一种新型的反应方式解决上述问题，减少尿素生产和使用过程中存在的对环境的污染和对人群的危害，使其生产过程更加环保，使用过程更加便利，已逐渐成为领域内诸多研究人员广泛关注的焦点之一。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种尿素的合成方法，特别是一种N2和CO2同步电化学还原合成尿素的方法，本专利技术采用同步电催化反应，在催化剂表面直接合成尿素，有助于缓解温室气体的排放，环保，设备小型化，使用便利化，在国内去产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和市场前景。本专利技术提供了一种尿素的合成方法，包括以下步骤：由氮气和二氧化碳气体混合后，经电化学反应后，得到尿素。优选的，所述电化学反应包括两电极电化学反应体系或三电极电化学反应体系；所述两电极电化学反应体系包括阳极、阴极、隔膜和电解液；所述三电极电化学反应体系包括对电极、工作电极、参比电极、隔膜和电解液。优选的，所述阳极的材质包括碳和/或铂；所述阴极的材质包括Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd中一种或多种组成的合金、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氧化物、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的硫化物，或者Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氮化物；所述隔膜包括质子交换膜；所述电解液包括磷酸缓冲盐溶液、NaHCO3、KOH、NaOH、H2SO4、HCl、Na2SO4、NaNO3、NaNO2、四氢呋喃和离子液体中的一种或多种。优选的，所述对电极的材质包括碳和/或铂；所述工作电极的材质包括Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd中一种或多种组成的合金、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氧化物、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的硫化物，或者Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氮化物；所述参比电极包括银/氯化银参比电极或汞/氧化汞参比电极；所述隔膜包括质子交换膜；所述电解液包括磷酸缓冲盐溶液、NaHCO3、KOH、NaOH、H2SO4、HCl、Na2SO4、NaNO3、NaNO2、四氢呋喃和离子液体中的一种或多种。优选的，所述两电极电化学反应体系的电位区间为1.7V～3.2V；所述三电极电化学反应体系的电位区间为-0.5V～-2.0Vvs.Ag/AgCl；所述氮气的压力为0.1～20Bar；所述二氧化碳气体的压力为0.1～20Bar；所述氮气与二氧化碳气体的体积比为1:1。本专利技术还提供了一种电化学合成尿素的装置，包括电解反应系统和混气装置；所述电解反应系统包括电极、隔膜、电解液和电解反应装置；所述混气装置的混合气出口与所述电解反应系统相连接。优选的，所述电极包括阳极和阴极，或者对电极、工作电极和参比电极；所述电解液置于电解反应装置中，所述隔膜设置在电解反应装置中，形成阴极区和阳极区，所述阴极设置在阴极区中，所述阳极设置在阳极区；所述电解液置于电解反应装置中，所述隔膜设置在电解反应装置中，形成阴极区和阳极区，所述工作电极和参比电极设置在阴极区中，所述对电极设置在阳极区；所述相连接具体为通过管路相连接。优选的，所述装置还包括氧气收集装置；所述氧气收集装置的氧气入口与所述电解反应系统相连接；所述混气装置的混合气出口管路的进气端位于所述阴极区的电解液液面以下；所述氧气收集装置的氧气入口管路的进气端位于所述阳极区的电解液液面以上。优选的，所述装置还包括二氧化碳气体来源装置、氮气气体来源装置和尾气收集管路中的一种或多种；所述二氧化碳气体来源装置的出口与所述混气装置的气体入口相连接；所述氮气气体来源装置的出口与所述混气装置的气体入口相连接；所述尾气收集管路的进口与所述电解反应系统相连接。优选的，所述二氧化碳气体来源装置的出口管路的出口端与所述氮气气体来源装置的出口管路的出口端通过三通相连接，再通过混合气进口管路与所述混气装置的气体入口相连接；所述尾气收集管路的进口端位于所述阴极区的电解液液面以上，所述尾气收集管路的出口端，与所述二氧化碳气体来源装置的出口管路和/或所述氮气气体来源装置的出口管路，相连接。本专利技术提供了一种尿素的合成方法，包括以下步骤，由氮气和二氧化碳气体混合后，经电化学反应后，得到尿素。与现有技术相比，本专利技术针对现有的尿素生产工艺存在耗能大，污染严重，设备大型化，生产地点集中化，而且远离农田，转运成本高且大规模不易储存的问题。本专利技术摒弃了原有的高温高压直接合成的方法，在诸多的化学反应方式中，选择了更加直接和环保电化学反应方式。又针对现有的类似电催化方式，仅仅局限于电催化二氧化碳还原或电催化氮气还原，虽然也有采用硝酸根或亚硝酸根溶液中通入二氧化碳，电催化制备尿素的方法，或是利用氮氧化物溶于水形成硝酸盐，采用氮氧化物和二氧化碳同步电催化制备尿素的方式，但是仍然存在效果较差的缺陷。本专利技术创造性的采用了二氧化碳和氮气为原料，同步进行电催化合成尿素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种尿素的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：由氮气和二氧化碳气体混合后，经电化学反应后，得到尿素。

【技术特征摘要】
1.一种尿素的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：由氮气和二氧化碳气体混合后，经电化学反应后，得到尿素。2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述电化学反应包括两电极电化学反应体系或三电极电化学反应体系；所述两电极电化学反应体系包括阳极、阴极、隔膜和电解液；所述三电极电化学反应体系包括对电极、工作电极、参比电极、隔膜和电解液。3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述阳极的材质包括碳和/或铂；所述阴极的材质包括Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd中一种或多种组成的合金、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氧化物、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的硫化物，或者Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氮化物；所述隔膜包括质子交换膜；所述电解液包括磷酸缓冲盐溶液、NaHCO3、KOH、NaOH、H2SO4、HCl、Na2SO4、NaNO3、NaNO2、四氢呋喃和离子液体中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述对电极的材质包括碳和/或铂；所述工作电极的材质包括Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd中一种或多种组成的合金、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氧化物、Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的硫化物，或者Zn、Cd、Ag、Cu、Au和Pd的氮化物；所述参比电极包括银/氯化银参比电极或汞/氧化汞参比电极；所述隔膜包括质子交换膜；所述电解液包括磷酸缓冲盐溶液、NaHCO3、KOH、NaOH、H2SO4、HCl、Na2SO4、NaNO3、NaNO2、四氢呋喃和离子液体中的一种或多种。5.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述两电极电化学反应体系的电位区间为1.7V～3.2V；所述三电极电化学反应体系的电位区间为-0.5V～-2.0Vvs.Ag/AgCl；所述氮气的压力为0.1～20Bar；所述二氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新波，鲍迪，刘开华，孟凡陆，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22